基于MACD算法的厌氧废水处理工艺有机负荷冲击

监测诊断指标

（芜湖市排水管理处，安徽，230001）

摘要：厌氧废水处理工艺在遭遇环境扰动时很敏感，需建立合理的诊断指标进行快速、准确地诊断状态。厌氧系统状态改变时，挥发性脂肪酸浓度等参数可作为准确性监测诊断指标，但其反应较迟滞；氢分压等状态参数可作为敏感性监测诊断指标，但其反应较剧烈，可能导致误判。本研究引入MACD算法处理参数监测数据，利用准确性参数和敏感性参数各自优势，并利用MACD算法降低准确性参数反应迟滞、敏感性参数反应剧烈对监测诊断的不利影响，从而实现快速、准确的监测诊断。

关键词：厌氧工艺，监测诊断，MACD算法，冲击实验

厌氧微生物遭遇进水有机负荷波动等环境扰动时很敏感，导致厌氧废水处理工艺很不稳定[1]，因此需要合理的诊断指标快速、准确地诊断系统状态。厌氧工艺常见监测诊断指标包括沼气和沼液中不同成分含量，如甲烷和氢气含量，挥发性脂肪酸（VFAs）浓度。通过在线监测系统实时测定以上参数能实时掌握系统状态。

当厌氧系统状态发生改变时，可以根据VFAs浓度、甲烷产率等状态参数的特征反应准确判断厌氧系统状态，但这些参数较为迟滞；氢分压等参数对系统状态变化反应极敏感，但往往会导致误判[2]。因此对以上两类参数数据进行一定的处理就很重要，要利用VFAs浓度等参数的准确性，增强其敏感性，要利用氢分压等参数的敏感性、提高其准确性。

指数平滑异同移动平均（MACD）算法是一种用于具有滞后性、非线性、强时变性和惯性特征系统的模式识别和趋势预测的数据处理算法。本研究引入MACD算法处理监测数据建立MACD指标，充分利用准确性参数和敏感性参数的优势，并利用MACD算法降低准确性参数反应迟滞、敏感性参数波动剧烈对监测诊断的不利影响。

1 材料与方法

1.1实验装置和试剂

本研究采用上流式厌氧污泥床（UASB）作为反应装置，以蔗糖为COD配置模拟废水作为进水。

1.2在线监测系统和离线检测方法

在线监测系统包括气、液相两部分及其他装置，沼气产量通过排水集气法测定，甲烷含量、氢分压通过气体传感器测定，沼气产量和甲烷含量乘积即为甲烷产率。总VFAs、乙酸、丙酸浓度通过气相色谱法测定。

图1在线监测系统

1.3实验设计

本研究通过提高进水COD浓度、维持HRT和温度不变进行有机负荷冲击实验。第60h时开始2倍有机负荷冲击实验并持续146h，第287h开始4倍有机负荷冲击实验并持续22h。

1.4 诊断指标构建

利用MACD算法处理参数数据构建MACD指标，MACD算法中含S，L和D三个计算参数，考虑到取样频率、输入周期和扰动滞后等因素，同时借鉴其他领域选择依据，将其确定为24，36和20。

第一步，计算指数平滑系数：

αN=2/（N+1）

第二步，计算指数移动平均值：

EMAN（n）=αNP（n）+（1–αN）∙EMAN（n–1）

第三步，计算EMA（n）的差离值：

DIF（n）=EMA24（n）–EMA36（n）

第四步，计算DIF的指数移动平均值：

DEA（n）=α20∙DIF（n）+（1–α20）∙DEA（n–1）

第五步，计算指数平滑异同移动平均值：

MACD（n）=DIF（n）–DEA（n）

通过计算得到包括甲烷含量MACD指标（MMC），氢分压MACD指标（MHP），甲烷产率MACD指标（MMY），总VFA浓度MACD指标（MTVFA），乙酸浓度MACD指标（MHAc），丙酸浓度MACD指标（MHPr）和丙酸/乙酸MACD指标（MP/A）。

MACD指标的特征反应包括正负符号、升降趋势和绝对值。MACD指标正负值反映监测曲线升降状态；MACD指标升降趋势揭示参数深层动力动态变化；MACD指标绝对值表示监测曲线波动水平。

2结果与讨论

第60h后进水有机物负荷加倍，MHP、MTVFA、MHAc和MHPr变为正值，MMC变为负值，第76h后MMY短暂下降变为正值。根据第60～76h各MACD指标符号和绝对值判断UASB受到轻微到中度抑制，MP/A为负值，HPr/HAc降低说明厌氧过程热力学条件未严重恶化，判断UASB可能遭受一定强度冲击，第76hMMY符号由负转正，判断UASB产甲烷过程受到轻微抑制但很快恢复。第76h后各MACD指标在基线附近的波动是进入新稳定状态前的调整波动。第205hMMY下降并转为负值，MMC上升并转为正值，MHP和MTVFA相对稳定，判断冲击结束，之后监测曲线和MACD指标的波动是新稳态下的调整波动。

图2 冲击实验监测参数及MACD指标的响应

第287h后MACD指标剧烈反应，MMY、MHP、MTVFA、MHAc和MHPr转为正值，MMC和MP/A转为负值，绝对值都比前次冲击时大，判断UASB受到更严重的有机负荷冲击。第308hMMY从正变负，绝对值增大，其他MACD指标符号不变但趋势变化。MACD指标趋势变化说明参数状态深层动力改变，

表面MACD指标符号即将变化，判断有机负荷冲击第308h结束，UASB状态进入波动恢复阶段，这也由监测数据所验证。

3结论

与传统的诊断指标相比，MACD算法抵消了厌氧系统的滞后性，过滤了敏感性参数的不规则波动，因此MACD指标充分利用了准确性参数和敏感性参数的优势，平衡了监测诊断的灵敏度和准确度。

参考文献

[1] 董方，陈林涛，基于新型评估指标的厌氧反应器快速诊断方法[J]. 环境工程学报, 2017, 11(04): 2119-2126

[2] 吴旭,基于MACD算法的厌氧废水处理工艺增强模式识别专家诊断系统[D].合肥工业大学市政工程系, 2021.

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